Pictures of the Future Herbst 2005
Corporate Technology – Mikroskopie und Bildgebende
Blicke in kleinste Welten
Mikroskopie und bildgebende Verfahren revolutionierten im 20. Jahrhundert Medizin und Materialwissenschaften. Innovationen von Siemens waren hier wegweisend – von der Elektronenmikroskopie über Computer- und Magnetresonanz-Tomographie bis zum Ultraschall.
Innovationen aus Siemens-Labors: vom ersten serienreifen Elektronenmikroskop 1939 (links) bis zum weltweit schnellsten CT. Den Fortschritt zeigt die Bildleiste unten: 1974 brauchte Siretom für eine Aufnahme fünf Minuten, heute liefert der Somatom Sensation 64 ein 3D-Bild in Sekunden
Der Vorstoß in die Welt des Allerkleinsten verlief nicht ohne Widerstände: Als Ernst Ruska 1931 an der Technischen Hochschule Berlin das Elektronenmikroskop erfand, wollte niemand glauben, dass Elektronenstrahlen mit Hilfe magnetischer Linsen Objekte abbilden können – ähnlich wie Lichtstrahlen, doch mit bis zu tausendfach höherer Auflösung. Doch selbst wenn: Musste der energiereiche, fast lichtschnelle Strahl nicht alle organischen Objekte augenblicklich zerstören? Die Skepsis war groß. Bis 1936 trieb Ruska daher vor allem die Sorge, "woher eine Million Reichsmark nehmen", um sein "Übermikroskop" zu verfeinern und in Serie bauen zu können. Mit Bodo von Borries, seinem von der Zukunft der Erfindung ebenso überzeugten Freund, hielt er Dutzende von Vorträgen und schrieb ungezählte Briefe. Als erste Firma erkannte Siemens das Potenzial des neuen Mikroskops, übernahm das finanzielle Risiko und richtete den Forschern 1937 in Berlin ein Labor für Elektronenoptik ein.
Nun ging es Schlag auf Schlag. Serienreife erreichten von Borries und Ruska schon nach zwei Jahren: 1939 gelangte das weltweit erste kommerzielle Elektronenmikroskop bei den Farbwerken Hoechst zum Einsatz. Mit seiner 30 000-fachen Vergrößerung ließen sich Farbstoffpigmente aufs Genaueste analysieren. Bis Kriegsende wurden 30 weitere Geräte gebaut, und Ruskas Bruder Helmut präsentierte erstmals Bilder eines Bakteriophagen.
1953 brachte Siemens das legendäre Elmiskop I heraus, das allen anderen Geräten auf dem Markt weit überlegen war. Die neue Technik eroberte sich einen festen Platz nicht nur in Biologie, Chemie und Medizin, sondern auch in Festkörperphysik und Materialwissenschaften. "Ob Halbleiterbauteile, maßgeschneiderte Werkstoffe oder Nanopartikel, ohne Elektronenmikroskop gäbe es keine Mikrotechnologie oder fortschrittliche Materialien", versichert Helmut Oppolzer, Leiter des Fachzentrums Analytics von Siemens Corporate Technology.
Auch in der Medizintechnik gelangen der Zentralen Forschung mit dem Bereich Medical Solutions bahnbrechende Innovationen. So verblüffte 1965 Richard Soldner die Fachwelt mit Vidoson, dem weltweit ersten Echtzeit-Ultraschallgerät für die medizinische Diagnostik. Es gab die Aufnahmen ohne Verzögerung und mit Grauwerten wieder. Ärzte konnten damit erstmals Details weicher Gewebe überprüfen und die Bewegungen einzelner Organe oder des ungeborenen Kindes am Bildschirm mitverfolgen. Vor 1965 waren die hochfrequenten Schallwellen meist in der Werkstoffprüfung zum Einsatz gekommen – Soldner öffnete dem Ultraschall den Weg in die Medizintechnik.
"Gemeinsam mit der Zentralen Forschung gelang es uns, die zeitaufwändige Mehrfachabtastung zur Darstellung eines Schnittbildes durch eine einmalige Abtastung zu ersetzen. So konnten wir die Bildaufbauzeit um mehr als zwei Zehnerpotenzen verringern", erinnert er sich. Einer seiner Mitstreiter aus der Zentralen Forschung war Bernd Granz. Er tüftelte in Erlangen Mitte der 1960er Jahre die ersten Ultraschall-Array-Systeme mit aus, die heute Stand der Technik sind. Ihr Vorteil: Durch eine Vielzahl winziger, nebeneinander angeordneter Ultraschallwandler ermöglichen sie handliche und flexible Systeme. Granz: "Inzwischen gibt es zweidimensionale Arrays, die sich in Siliziumtechnik in einem einzigen Verfahrensschritt herstellen lassen. Damit kann man 3D-Volumina aus dem Körper in Echtzeit darstellen."
Pioniere der Mikroskopie
Ernst Ruska (1906 – 1988) und Bodo von Borries (1905 – 1956):
Bereits als Student entdeckte Ernst Ruska das Prinzip der Elektronenmikroskopie. 1931 baute er zusammen mit Bodo von Borries und Max Knoll an der TH Berlin das erste funktionierende Elektronenmikroskop. 1934 wechselte von Borries zu Siemens in Berlin. Im Labor für Elektronenoptik gelang es ihm und Ernst Ruska schließlich 1939, das Elektronenmikroskop zur Serienreife zu entwickeln. Ruska erhielt 1986 den Nobelpreis für Physik
Ebenfalls völlig neue Einblicke erlaubte die Computertomographie seit Anfang der 1970er Jahre. Ihre Schichtbilder zeigten viel feinere Kontraste als die Schattenbilder der konventionellen Röntgentechnik. 1974 brachte Siemens mit Siretom den ersten von einer Röntgenfirma produzierten Computertomographen auf den Markt. Sein Prinzip: Um den liegenden Patienten kreist sehr schnell eine Röntgenquelle. Detektoren auf der anderen Seite des Patienten messen das hindurchdringende Röntgenlicht und leiten die Werte an einen Computer weiter, der daraus Schichtbilder berechnet. Moderne Geräte messen mehrere Schichten gleichzeitig – 64 sind es beim Somatom Sensation 64. Die führende Marktposition verdankt Siemens auch Forschern von Corporate Technology, die etwa spezielle Keramikdetektoren entwickelt und die 3D-Bildverarbeitung verbessert haben (siehe Pictures of the Future, Herbst 2004,Keramik-Detektoren).
Ähnlich revolutionär ist die Magnetresonanz-Tomographie. Die Magnetresonanz wurde in den 1940er Jahren erfunden. Sie diente zunächst dazu, chemische Moleküle zu analysieren, doch es lassen sich damit auch Bilder aus dem Körper gewinnen. Gemessen wird dabei im Wesentlichen die Verteilung von Wasserstoffatomen. Um ein solches Gerät zu bauen, war Know-how auf Gebieten wie Supraleitung, Hochfrequenztechnik und Mikroelektronik erforderlich. Friedrich Gudden, damaliger Forschungsleiter für bildgebende Verfahren bei Medical Solutions, erinnert sich an die Konstruktion des ersten MR-Tomographen Anfang der 1980er Jahre: "Wenn wir Hilfe brauchten, war die Zentrale Forschung zur Stelle, vor allem bei starken Magnetfeldern. Ihr Wissen darüber nutzten die Forscher auch für andere Gebiete, etwa für Generatoren oder die Magnetschwebebahn." Jüngstes Ergebnis der Kooperation sind die Magnetom-Tim-Geräte, die dank neuer Spulentechnologie Ganzkörperaufnahmen von herausragender Schärfe liefern.
Vater des Ultraschalls
Richard Soldner (geb. 1935):
Mit 15 Jahren begann Richard Soldner bei den Siemens-Reiniger Werken in Erlangen eine Werkzeugmacherlehre. Das Unternehmen gewährte ihm 1955 ein Stipendium für das Studium der Hochfrequenztechnik. In der Abteilung Elektromedizin konstruierte Soldner 1962 den ersten Prototypen eines Echtzeit-Ultraschallgeräts für die medizinische Diagnostik. Mit Kollegen entwickelte er 1968 das erste elektronische Linear-Array, das die Herstellung handlicher Ultraschallgeräte ermöglichte. Drei Jahre später gelang ihm erstmals die dynamische Fokussierung des Ultraschallstrahls – Grundlage für die heutige Bildqualität (Babybewegungen in 3D). Für seine Pioniertaten auf dem Gebiet der medizinischen Ultraschallanwendung erhielt er 2004 die Ian Donald Medal der International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology
Künftig sollen Krankheiten noch früher erkannt werden, etwa dank molekularer Bildgebung. Damit lassen sich nicht nur anatomische Veränderungen betrachten, sondern auch Stoffwechselprozesse. Im Fall von Krebs heißt das, dass sich nicht nur Tumoren, sondern bereits einzelne Krebszellen mit pathologischem Stoffwechsel aufspüren lassen. Bei der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) haben Siemens-Forscher dieses Prinzip bereits umgesetzt: Hunderte von Detektoren ermitteln jene Strahlung, die ein zuvor verabreichtes, schwach radioaktives Kontrastmittel aussendet.
Außerdem brüten die Entwickler über neuen Verfahren, die auf Licht im nahen Infrarotbereich setzen. Dies erfordert neue fluoreszenzoptische Techniken sowie Kontrastmittel – so genannte Smart Contrast Agents –, die erst dann im Körper fluoreszieren, wenn sie auf ihre Zielmoleküle stoßen, etwa auf tumorspezifische Enzyme. "Wir bei Siemens verstehen viel von bildgebenden Verfahren", sagt Mohammad Naraghi, Leiter der Geschäftsentwicklung bei Medical Solutions, und meint mit "wir" sowohl den eigenen Bereich als auch die Zentrale Forschung. Doch ergänzt werden müsse diese Kompetenz vor allem durch pharmakologisches und molekularbiologisches Wissen. "Deshalb arbeiten wir mit externen Partnern zusammen, darunter mit renommierten akademischen Forschungseinrichtungen sowie Pharma- und Biotech-Firmen", sagt Naraghi.
Luitgard Marschall